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原文传递基于馈能型ESC的电控液压助力转向系统设计理论与控制方法研究

论文题名：	基于馈能型ESC的电控液压助力转向系统设计理论与控制方法研究
关键词：	公路客车;电控液压助力转向系统;设计理论;控制策略
摘要：	现有重型商用车普遍采用液压助力转向系统（HPS），而HPS容易造成车辆高速“发飘”，使驾驶员缺乏转向“路感”，而且HPS存在大量的无功损耗，因此研究适用于重型商用车的低能耗、兼顾低速转向轻便性和中高速转向“路感”的转向系统具有重要的现实意义。在乘用车和轻型商用车出现的电动液压助力转向系统(EHPS)和电动助力转向系统(EPS)由于电机功率的限制，不适用于重型商用车。电控液压助力转向系统(ECHPS)在HPS的基础上通过电控装置调节液压系统的流量或压力，结合了HPS助力大和EPS可变助力特性的优点，是一定时期内重型商用车转向系统可行的发展方向，而已有的ECHPS方案不能很好地解决HPS存在的问题，因此，本文提出了基于馈能型电磁转差离合器(ESC)的新型电控液压助力转向(E-ECHPS)系统。以某型大客车为研究对象，对E-ECHPS系统的设计理论和控制方法开展研究，主要内容如下: 　　根据转向轻便性和转向助力跟随性的要求，研究了液压转向系统的最大压力和最大流量的匹配方法，计算得到了原型大客车液压转向系统的最大压力和最大流量，以此作为设计ESC的依据;结合系统的最大流量和发动机的转速范围设计了E-ECHPS转向泵的流量特性，从而确定了ESC的转速和转矩范围;根据整车对ESC的技术要求设计了ESC的原型样机，为研究ESC的控制提供载体。　　建立了包括磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程在内的ESC数学模型，由于各方程在abc坐标系下的电感参数是时变的，因此利用Park-Clark变换，推导了dq坐标系下的ESC模型，通过机械特性、输入-输出特性、励磁电流-输出特性的仿真与试验对比，验证了ESC数学模型的正确性，为ESC的控制研究提供模型基础。　　研究了基于磁场定向原理的馈能型ESC控制策略，分别控制PWM整流器交流侧电流的直轴分量和交轴分量，采用PI控制器使实际值跟踪期望值。将直轴分量的期望值设定为零以实现交流侧电压和电流同相位，对直流侧电压进行PI控制以保证直流侧电压的稳定，PI控制器的输出作为交轴分量的期望值;对ESC的输出转速采用PID闭环控制。仿真结果表明，所提出的控制策略有助于提高ESC输出转速的动态响应速度和ESC转差损耗的回收效率，为E-ECHPS的按需功率匹配控制提供了理论基础。　　基于按需功率匹配理论，提出了E-ECHPS系统的压力和流量匹配方法。由于液压系统实际所需的压力取决于转向阻力矩和驾驶员操纵转矩，因此设计了基于驾驶员偏好转矩的随速可变助力特性;液压系统实际所需的流量由转向盘转角速度和车速决定，据此设计了基于转向盘转角速度和车速的E-ECHPS流量控制曲线。由于系统流量与转向泵转速即ESC转速成正比，因此通过对ESC输出转速的控制可以实现转向功率匹配。E-ECHPS系统的按需功率匹配是在满足转向功率匹配的基础上对ESC的转差损耗进行回收，由此制定了E-ECHPS的控制策略。　　在分析HPS能耗的基础上，提出了HPS节能的途径，对比HPS和E-ECHPS的功率消耗，揭示了E-ECHPS的节能机理;通过综合工况下HPS和E-ECHPS的仿真，定量比较两者的能耗，仿真结果显示E-ECHPS的功耗相比HPS降低约30％。从转向轻便性、转向瞬态响应和转向盘中间位置操稳性三个方面考察了E-ECHPS的操纵稳定性，通过双纽线仿真对比HPS和E-ECHPS的低速转向轻便性，结果表明E-ECHPS的转向轻便性比HPS提高了约43.6％，HPS和E-ECHPS的阶跃转向和中间位置小转角转向仿真结果表明，E-ECHPS的中高速转向“路感”显著增强。　　为了提高E-ECHPS车辆的高速紧急转向稳定性，提出了基于微分几何反馈跟踪的E-ECHPS控制方法。建立了高速紧急转向的非线性动力学模型，推导了仿射非线性系统的状态方程，运用微分几何理论对系统进行精确线性化，在此基础上研究了线性参考模型反馈跟踪控制策略，通过阶跃转向仿真和单移线仿真，验证了控制方法的正确性。　　构建了馈能型ESC的试验系统，对馈能型ESC的输出转速，PWM整流器交流侧电压/电流、直流侧电压和超级电容电压/电流等性能指标进行测试，试验结果表明，所提出的控制策略提高了ESC输出转速在负载转矩扰动下的动态响应性和ESC转差损耗的回收效率。　　综上所述，本文提出的基于馈能型ESC的电控液压转向系统E-ECHPS显著提高了大客车的操纵稳定性，同时显著降低了转向系统的能耗，对于提高大客车及其他采用传统HPS的车辆的安全性和运行经济性具有重要意义。本文的研究成果为进一步研究开发馈能型ESC及E-ECHPS提供了重要的理论和技术基础。
作者：	唐斌
专业：	车辆工程
导师：	江浩斌
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文